Sensoren

Industrieöfen werden häufig als Black Box betrieben, weil sich Eingriffe in den Wärmeprozess zur Ermittlung von Prozessdaten negativ auf die Temperaturverteilung oder andere qualitätsrelevante Charakteristika auswirken. Zudem sind die in den Öfen vorhandenen hohen Temperaturen und aggressiven Medien für viele Sensoren ungeeignet. Benötigt werden robuste Hochtemperatur-Sensoren, die minimalinvasiv eingesetzt werden können. Für eine effiziente Prozessregelung sind kurze Ansprechzeiten der Sensoren erforderlich. Folgende Anwendungsfelder müssen durch die Hochtemperatur-Sensoren abgedeckt werden:

• Temperaturmessung und Messung von Wärmeströmen/ Temperaturverteilungen
• Ofenatmosphäre (Gaszusammensetzung/ Strömung)
• Dimensionsmessung, optische Überwachung
• Schallemission, akustische Überwachung
• Viskosität- und Zusammensetzung von Schmelzen

Das Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelt Hochtemperatur-Sensoren für unterschiedliche Anwendungen in der industriellen Wärmebehandlung. Um den hohen Einsatztemperaturen standzuhalten, werden die Sensoren häufig aus keramischen Komponenten gefertigt. Eine besonders kurze Ansprechzeit wird durch filigrane - im 3D-Druck hergestellte - Strukturen erreicht. Eine besonders hohe Thermoschockbeständigkeit wird durch Schutzhüllen aus CMC (Ceramic Matrix Composites)gewährleistet. Korrosionsbeständige Beschichtungen für Hochtemperatur-Sensoren werden am HTL aus eigens entwickelten kristallisierenden Gläsern hergestellt. Wo möglich werden kommerziell verfügbare Sensorkomponenten verwendet. Die Hochtemperatur-Sensoren werden am HTL kundenspezifisch ausgelegt. Prototypen und Kleinserien können am HTL gefertigt werden. Auch die Messelektronik und Datenauswertesoftware werden bei Bedarf am HTL entwickelt. Das HTL verfügt über Teststände, um das Einsatzverhalten von Hochtemperatur-Sensoren unter definierten Bedingungen zu testen.

Als Temperatur-Sensoren werden am HTL meist metallische Werkstoffe verwendet, die den Seebeckeffekt oder den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands nutzen. Die Metalle können als Schicht auf keramischen Substraten oder als Drähte eingesetzt werden. Die Kapselung erfolgt mit Keramiken oder kristallisierenden Gläsern. Die Temperatur-Sensoren können für empfindliche Differenztemperatur- und Wärmestrommessungen ausgelegt werden. Darüber hinaus verfügt das HTL über vielfältige Erfahrungen beim Einsatz von Pyrometern zur Hochtemperatur-Messung der Wärmestrahlung. Pyrometersysteme können ausgelegt und kalibriert sowie die Messsoftware an den spezifischen Einsatzzweck angepasst werden. Beispielsweise können Pyrometer mittels spezieller Verstärker auch für die sehr schnelle Messung von Temperaturänderungen genutzt werden. Die großflächige Vermessung von Temperaturfeldern wird am HTL mit Thermokameras durchgeführt, deren Optik an die jeweilige Anwendung angepasst werden kann. Temperaturverteilungen in Industrieöfen werden auch mit Temperaturmessringen bestimmt. Die Messringe werden wie Dosimeter eingesetzt und zeigen die aufgenommene Gesamtwärmemenge über ihre Sinterschwindung an. Sie können am HTL konditioniert und kalibriert werden. Außerdem werden Temperaturmessringe für Spezialanwendungen – z.B. sehr hohe Temperaturen > 1800°C – am HTL hergestellt.

Für die Messung der Ofenatmosphäre entwickelt das HTL Hochtemperatur-Sensoren zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit. Sie werden als Staudrucksensoren in Aluminiumoxidkeramik ausgeführt und verfügen über ein Schutzrohr aus oxidischen CMC. Die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre wird vorzugsweise mit elektrochemischen Sensoren bestimmt. Beispielsweise kann die Sauerstoffaktivität mittels der Sauerstoffionenleitfähigkeit in Zirkoniumoxidkeramiken über einen sehr großen Bereich von ca. fünf Größenordnungen bestimmt werden. Auch CO, CO₂, SO₂, NO₂ und C_xH_y werden mit kommerziell verfügbaren Sensoren erfasst. Die Gaszusammensetzung wird vorzugsweise in der Abluft von Industrieöfen gemessen. Bei Bedarf können auch Sensoren konfektioniert werden, die im heißen Bereich von Industrieöfen eingesetzt werden. Außerdem entwickelt das HTL leichte Gasentnahmelanzen aus CMC mit besonders hoher Thermoschockbeständigkeit. Die entnommenen Gase können im Anschluss mit unterschiedlichen Analysetechniken im Labor analysiert werden.

Für die optische Inspektion der Wärmebehandlung wurden am HTL spezielle ThermoOptische Messverfahren (TOM) entwickelt. Diese umfassen die erforderlichen Aussparungen in der Ofenzustellung, die optischen Komponenten und die Datenauswerteverfahren. Die TOM-Verfahren sind so konzipiert, dass sie durch die typischen Störgrößen in Industrieöfen, z.B. Hitzeflimmern oder die Kondensation von Dämpfen, möglichst wenig beeinträchtigt werden. Umgekehrt können die TOM-Verfahren so ausgelegt werden, dass die Wärmebehandlungsprozesse nur minimal verändert werden. Dazu können kleine Aussparungen, Lichtleiter und/oder Zusatzheizer genutzt werden. Die Datenauswertung erfolgt über robuste Kontursuch- und Korrekturalgorithmen und erlaubt die quantitative Bestimmung zahlreicher Dimensionsmessgrößen.

Für die akustische Überwachung von Wärmeprozessen werden am HTL Schallemissionsmessverfahren entwickelt. Die Ankopplung der benötigten Mikrofone an den heißen Ofeninnenraum erfolgt über spezielle Hörrohre. Störgeräusche werden durch Messung der Laufzeitunterschiede von Schallsignalen aus mehreren Mikrofonen eliminiert, die im Ofen an unterschiedlichen Positionen montiert werden. Für die Auswertung der Schallsignale in Echtzeit wurden massiv-parallele Algorithmen entwickelt.

Spezielle Sensoren werden kundenspezifisch – z.B. für den Einsatz in Schmelzen oder besonders korrosiven Ofenatmosphären – entwickelt.